JP5038973B2

JP5038973B2 - 音声出力装置及び音声出力方法

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Publication number: JP5038973B2
Application number: JP2008129432A
Authority: JP
Inventors: 英樹台信
Original assignee: Sharp Corp
Current assignee: Sharp Corp
Priority date: 2008-05-16
Filing date: 2008-05-16
Publication date: 2012-10-03
Anticipated expiration: 2028-05-16
Also published as: JP2009278508A

Description

本発明は、増幅器を介して音声信号を出力する音声出力装置の構成、及び音声出力方法に関する。

液晶テレビにおいては、映像と音声が出力されるため、ディスプレイとスピーカが設けられる。音声信号は、増幅器を介して充分な出力強度でスピーカから出力されるが、スピーカの出力強度には適正な範囲があり、この範囲をはずれた場合には出力される音声に歪みが生じたり、極端に大きな出力強度の場合には、スピーカが破損する場合もある。従って、スピーカの出力強度を充分に保った上で、ある一定の許容値を超えない範囲に保つことが重要である。

例えば、このためには、出力の最大許容値が設定されたリミッタを設け、これ以上の出力となる場合には強度をカットするという方法が考えられる。この場合にスピーカに入力される信号の概念図が図６（ａ）である。ここで、横軸ｔは時間であり、縦軸Ｖは信号の電圧を示す。破線がリミッタを設けない場合に増幅器から出力される信号であり、実線がリミッタが動作した場合の信号であり、この場合の最大許容値は±Ｖｍａｘである。この場合には、信号強度は適正な範囲に保たれるものの、その波形が元の信号から歪むことは明らかである。また、リミッタに設定された最大許容値にはばらつきが存在するため、これに起因する信頼性の低下も問題になる。

出力をリミッタによって制限する代わりに、増幅器のゲインを下げることによって調整することも可能である。この場合には、図６（ｂ）に示すように、調整後の波形（実線）を調整しない場合の波形（破線）の単なる定数倍にするため、音質は低下しない。この場合のゲインの調整は、例えば特許文献１に記載されるように、増幅器からの出力をモニターし、これに負のフィードバックをかけることにより行われる。ただし、この場合には、音質は低下しないものの、音量が全体的に小さくなる。
特開平１−１３５２０７号公報

近年、特に液晶テレビ等においては、装置の薄型化、小型化が要求されている。このため、これに用いられるスピーカも薄型、小型のものが用いられる。こうしたスピーカは、特に低音を出力する効率が低くなるため、その出力信号強度を充分に大きくすることが重要になる。従って、その出力信号強度を上記の最大許容値近くに保持する必要性がより高くなり、上記の制御はより厳密に行うことが必要になる。一方、この際に音質を極力低下させない、すなわち、波形の歪みを極力小さくすることも求められる。

この場合、上記の方法では、厳密な制御が困難であった。すなわち、出力信号強度を充分に保ち、かつこれを最大許容値を超えない範囲で維持すると共に音質の低下を極力抑える制御を充分な精度で行うことは困難であった。

本発明は、斯かる問題点に鑑みてなされたものであり、上記問題点を解決する発明を提供することを目的とする。

本発明は、上記課題を解決すべく、以下に掲げる構成とした。
本発明の音声出力装置は、音声入力信号からＤ級増幅器を介して１ビット信号を作成し、該１ビット信号をアナログ信号に変換してスピーカに音声出力信号を出力する構成を具備する音声出力装置であって、前記Ｄ級増幅器の駆動電圧を出力する駆動電圧出力部と、前記音声出力信号又は前記音声入力信号の信号強度を検出する信号強度検出部と、前記音声出力信号又は前記音声入力信号の信号強度に応じて前記駆動電圧出力部における前記駆動電圧を設定する制御部と、を具備し、前記音声出力信号には許容レベルが設定され、前記制御部は、前記駆動電圧出力部を制御して前記Ｄ級増幅器におけるスイッチング部に入力される前記駆動電圧を設定することにより、前記Ｄ級増幅器から出力される前記１ビット信号の振幅を制御し、前記信号強度が高い場合に前記駆動電圧を高く設定し、かつ前記音声出力信号の信号強度が前記許容レベルを越えないように前記１ビット信号を前記Ｄ級増幅器に出力させることを特徴とする。
本発明の音声出力装置において、前記Ｄ級増幅器にはΔΣ変調器が用いられることを特徴とする。
本発明の音声出力方法は、音声入力信号からＤ級増幅器を介して１ビット信号を作成し、該１ビット信号をアナログ信号に変換してスピーカに音声出力信号を出力する音声出力方法であって、前記音声出力信号又は前記音声入力信号の信号強度を検出し、前記信号強度に応じて前記Ｄ級増幅器の駆動電圧を設定し、前記音声出力信号には許容レベルが設定され、前記Ｄ級増幅器におけるスイッチング部に入力される前記駆動電圧を設定することにより、前記Ｄ級増幅器から出力される前記１ビット信号の振幅を制御し、前記信号強度が高い場合に前記駆動電圧を高く設定し、かつ前記音声出力信号の信号強度が前記許容レベルを越えないように前記１ビット信号を前記Ｄ級増幅器に出力させることを特徴とする。

本発明は以上のように構成されているので、音質の低下を抑えた上で出力信号強度を充分に保ち、かつこれを最大許容値を超えない範囲で維持する制御を充分な精度で行う音声出力装置を得ることができる。

以下、本発明を実施するための最良の形態となる音声出力装置について説明する。この音声出力装置は、例えば液晶テレビにおける音声信号の出力装置として用いられる。

この音声出力装置１０の構成を図１に示す。この音声出力装置１０においては、アナログ信号である音声入力信号がＤ級増幅器１１に入力される。Ｄ級増幅器１１中においては、ΔΣ変調部１１１が、スイッチング部１１２において生成されたパルス信号をこの信号によってΔΣ変調して１ビット信号を生成する。このパルス信号及び１ビット信号の振幅電圧は、スイッチング部１１２に印加される駆動電圧Ｖｃｃで決まり、ＶｃｃはＶｃｃ制御部（駆動電圧出力部）１２によって出力され、Ｄ級増幅器１１に印加される。ここで、電源１３（出力電圧Ｖｏ）が設けられ、電源の電圧ＶｏがＶｃｃ制御部１２によってＶｏ≧Ｖｃｃの範囲で調整されて駆動電圧Ｖｃｃとなる。

この１ビット信号はローパスフィルタ（ＬＰＦ）１４に入力され、再びアナログ信号である音声出力信号となり、スピーカ１５に入力され、音声出力となる。

ここで、図１のＰ点においては、出力検出部（信号強度検出部）１６が接続されており、この音声出力信号の信号強度がモニターされる。この信号強度はマイコン（制御部）１７に入力され、マイコン１７は、この値に基づいてＶｃｃ制御部（駆動電圧出力部）１２を制御し、Ｄ級増幅器１１の駆動電圧Ｖｃｃを設定する。

ここで、スイッチング部１１２は、振幅がＶｃｃのパルス信号を生成する。ΔΣ変調部１１１は、音声入力信号における強度を、電圧振幅が一定のパルス信号におけるパルス幅に変換し、このパルス幅でこの生成されたパルス信号を変調する。ここで、パルス幅変調された信号が１ビット信号となる。こうした変換を行った場合には、一般に量子化ノイズが発生するが、周知のように、ΔΣ変調を用いた場合にはこの量子化ノイズを低減することができるため、特に好ましく用いることができる。この１ビット信号は、後で積分器やローパスフィルタを通すことにより、元のアナログ信号の波形を忠実に再現したものとすることができる。なお、ΔΣ変調部１１１の代わりに、単なるパルス幅変調（ＰＷＭ）を行うＰＷＭ変調部を設けてもよい。なお、ΔΣ変調部１１１が用いられる場合には、１ビット信号の出力がΔΣ変調部１１１にフィードバックされる。

以上の構成からなるＤ級増幅器１１は、一般に知られるように、低消費電力で動作する。また、１ビット信号作成の際のサンプリング周波数が充分に高ければ、入力された音声信号を忠実に増幅して再現できる１ビット信号を作成することができる。従って、この１ビット信号をＬＰＦ１４を介してスピーカ１５に出力することにより、音声入力信号を忠実に増幅した音声を出力することができる。

ここで、この音声出力装置１０においては、出力検出部（信号強度検出部）１６によって検出された信号強度Ｖに応じて、マイコン（制御部）１７によって駆動電圧Ｖｃｃが設定される。この動作、すなわちこの音声出力方法について以下に説明する。

この音声出力装置１０におけるスピーカ１５へ入力される音声出力信号の波形の一例を図２の実線で示す。ここで、Ｖｍａｘは、スピーカ１５の特性によって決まる音声出力信号の最大値（許容レベル）である。信号強度がＶｍａｘを越えた場合には特に音質が劣化したり、スピーカ１５が損傷する場合があるため、特性に応じて適宜設定される。従って、音声出力信号がこの許容レベルを超えないように制御される。ここで、この制御が行われず、音声入力信号をそのまま忠実に増幅した場合の音声出力信号の波形を同図中の破線で示す。この音声出力装置１０においては、図６（ａ）のように、リミッタで音声出力信号をカットするのではなく、マイコン１７がＤ級増幅器１１を制御して、図２における実線の波形を出力させる。この際、この波形においては、信号強度がＶｍａｘを越えないように制御され、かつ信号強度がＶｍａｘを越えない範囲内では音声入力信号の波形に近い波形が保たれている。従って、単にリミッタで出力を制限する場合と比べて、音質の低下を抑制することができる。

この波形における、ＶがＶｍａｘに近い範囲での拡大図が図３である。ここでは、出力Ｖの最大値Ｖｍａｘの他に、３つの閾値Ｖｍ_１、Ｖｍ_２、Ｖｍ_３（Ｖｍ_１＜Ｖｍ_２＜Ｖｍ_３＜Ｖｍａｘ）が設定されている。Ｖの値がこれらの値と比べてどの範囲にあるかに応じて、図中のＡ〜Ｉの範囲が設定され、マイコン１７はＶｃｃ制御部１２を制御して、スイッチング部１１２に入力される電圧Ｖｃｃを設定し、Ｄ級増幅器１１から出力される１ビット信号における振幅を制御する。この際、信号強度が高い場合にはＶｃｃを高く設定し、かつ信号強度が許容レベルを越えないような１ビット信号をＤ級増幅器１１に出力させる。

この際の動作を説明するのが図４である。ここで、この波形における、領域Ａ〜Ｅまでの波形の拡大図が図４（ａ）である。また、この間に設定されるＶｃｃを図４（ｂ）に、出力される１ビット信号のパルス波形を図４（ｃ）に示す。ここで、パルス波形は単純化のためにＰＷＭ変調された１ビット信号の場合について示してあり、概念を説明するために、そのサンプリング周期も長くなって表示されている。従って、実際のパルスはこれよりも短い時定数で細かく制御される。また、このパルス信号はユニポーラ信号とし、ＯＮ（Ｈｉｇｈ）となる場合が図４（ｃ）中の濃灰色の領域で表示されている。

Ｖ≦Ｖｍ_１（図４（ａ）中Ａの領域）の場合は、図４（ｂ）に示されるようにＶｃｃは最低値であるＶｃｃ_０（初期値）の値に一定に制御される。これによりＤ級増幅器１１から出力される波形（ＬＰＦ１５に入力される波形）は図３中のＡの領域における実線の通りになる。この波形は、音声入力信号の波形を忠実に増幅したものとなっている。この波形においてはＶが徐々に増加するため、これに対応する１ビット信号においては、図４（ｃ）に示されるように、徐々にパルス幅（ＯＮ時間）が長くなる。この際、Ｖｃｃが一定であるため、パルス振幅は一定である。

次に、Ｖｍ_１＜Ｖ≦Ｖｍ_２（図４（ａ）中のＢの領域）の場合は、図４（ｂ）に示されるように、Ｖｃｃをある一定の上昇率ｄＶｃｃ_１で上昇させる。この際の１ビット信号は、図４（ｃ）に示されるように、これに応じて振幅が上昇する。しかしながら、図４（ａ）の波形を再現するためには、パルス幅をＶｃｃの上昇分よりも大きい比率で短くする。このパルス幅の短縮分を図４（ｃ）中においてパルス波形に隣接した薄灰色領域で示す。すなわち、図４（ａ）における破線部の出力に対応するパルス波形は図４（ｃ）中における濃灰色部と薄灰色部が結合した波形となる。従って、この際のパルス幅の短縮率をｄＰ_１とすると、ｄＶｃｃ_１×ｄＰ_１＜１となるｄＰ_１の値が設定されて出力される。Ｖｃｃの設定はマイコン１７がＶｃｃ制御部１２を制御することにより行われる。また、パルス幅の制御はマイコン１７がΔΣ変調部（ＰＷＭ変調部）１１１を制御することにより行われる。これにより、図４（ａ）中のＢの領域の波形を再現する１ビット信号を作成できる。

次に、Ｖｍ_２＜Ｖ≦Ｖｍ_３（図４（ａ）中のＣの領域）の場合は、図４（ｂ）に示されるように、ＶｃｃをｄＶｃｃ_２＜ｄＶｃｃ_１である上昇率ｄＶｃｃ_２で上昇させる。この際の１ビット信号は、図４（ｃ）に示されるように、これに応じて振幅が上昇する。ここで、出力を抑えて図４（ａ）中の実線の出力を実現するために、Ｖｃｃの上昇率をｄＶｃｃ_１よりも小さくしている。この際も、パルス幅をＶｃｃの上昇分よりも大きい比率で短くする。すなわち、パルス幅の短縮率をｄＰ_２とすると、ｄＶｃｃ_２×ｄＰ_２＜１となるｄＰ_２の値が設定されて出力される。これにより、図４（ａ）中のＣの領域の波形を再現する１ビット信号を作成できる。

次に、Ｖｍ_３＜Ｖ≦Ｖｍａｘ（図４（ａ）中のＤの領域）の場合は、図４（ｂ）に示されるように、出力を抑えるためにＶｃｃをｄＶｃｃ_３＜ｄＶｃｃ_２である上昇率ｄＶｃｃ_３で上昇させる。この際の１ビット信号は、図４（ｃ）に示されるように、これに応じて振幅が上昇する。この際も、パルス幅をＶｃｃの上昇分よりも大きい比率で短くする。すなわち、パルス幅の短縮率をｄＰ_３とすると、ｄＶｃｃ_３×ｄＰ_３＜１となるｄＰ_３の値が設定されて出力される。これにより、図４（ａ）中のＤの領域の波形を再現する１ビット信号を作成できる。

次に、Ｖｍａｘ＜Ｖ（図４（ａ）中のＥの領域）の場合は、図４（ｂ）に示されるように、ＶｃｃをＶｃｃ_１の値に固定する。この際の１ビット信号は、図４（ｃ）に示されるように、振幅は一定であり、かつ、ＶがＶｍａｘに固定されるようにパルス幅が制御される。これにより、図４（ａ）中のＥの領域の波形を再現する１ビット信号を作成できる。すなわち、Ｖの最大値がＶｍａｘに維持される。

なお、図４はＶの上昇時の動作についての説明であるが、下降時はこの逆の動作を行う。すなわち、図３中のＦの領域ではＶｃｃをＶｃｃ_１からｄＶｃｃ_４（＝ｄＶｃｃ_３）の下降率で下降させ、パルス幅を短縮率ｄＰ_４（＝ｄＰ_３）で短くする。図３中のＧの領域ではＶｃｃをｄＶｃｃ_５（＝ｄＶｃｃ_２）の下降率で下降させ、パルス幅を短縮率ｄＰ_５（＝ｄＰ_２）で短くする。図３中のＨの領域ではＶｃｃを下降率ｄＶｃｃ_６（＝ｄＶｃｃ_１）で下降させ、パルス幅を短縮率ｄＰ_６（＝ｄＰ_１）で短くする。図３中のＩの領域ではＶｃｃをＶｃｃ_０の値に固定する。これに応じたＶｃｃ、１ビット信号は図４（ｂ）（ｃ）の結果と時間的に逆の変化をするため、その記載は省略する。

以上のように、この音声出力装置１０においては、Ｄ級増幅器１１が用いられ、出力に応じてその駆動電圧Ｖｃｃが制御されるため、出力される１ビット信号のパルス振幅が制御される。この際、上記の動作を行い、図２の実線で示された波形の出力をする。

比較として、Ｖｃｃの制御を行わない（Ｖｃｃを常に一定とする）場合の同様の結果を図５に示す。図５（ａ）は、図４（ａ）と同様の出力波形であり、音声入力信号を忠実に増幅した場合の波形が破線で示されている。図５（ｂ）はこの際のＶｃｃの値であり、一定の値に固定されている。図５（ｃ）は図５（ａ）の実線の波形を出力させる１ビット信号である。なお、１ビット信号は図４（ｃ）の場合と同様に単純化されて記載されている。

この場合には、Ｖｃｃが一定であるため、Ｖの増加に伴ってパルス幅が長くなる制御が行われる。従って、Ｖが小さいＡの領域ではパルス幅が短く、パルス間隔が広くなる。一方、Ｖが大きくなったＤやＥの領域においては、パルス幅が長く、パルス間隔が短くなる。すなわち、この場合でも図４（ａ）と同様の波形を出力させることは可能である。

しかしながら、Ｖが小さな領域では音声出力を忠実に再現する１ビット信号を得ることが要求され、ＶがＶｍａｘに近い領域では、ＶをＶｍａｘに近い値でかつこれを越えないように精密に制御することが必要になる。これに対して、図５に示す制御を行って１ビット信号を作成した場合には、Ａの領域においてはパルス幅が精密な制御を行うためにはパルス幅が短すぎ、ＤやＥの領域ではパルス幅が長すぎる（パルス間隔が短すぎる）という問題がある。従って、Ｖが小さな領域では音声出力を忠実に再現し、ＶがＶｍａｘに近い領域では、ＶをＶｍａｘに近い値でかつこれを越えないように厳密に制御することが困難である

これに対して、図４に示すこの音声出力装置１０の動作においては、パルス幅、パルス間隔はＡ〜Ｅ（及びＥ〜Ｉ）の領域で適切な範囲に保たれる。従って、Ｖが小さな領域では音声出力を忠実に再現し、ＶがＶｍａｘに近い領域では、ＶをＶｍａｘに近い値でかつこれを越えないように厳密に制御することができる。また、Ｖｃｃの上昇（下降）率ｄＶｃｃ_１等、パルス幅の短縮率ｄＰ_１等を上記の通りに制御することによって、図２の実線で示す出力を得ることができる。この波形においては、信号強度が充分に保たれ、かつこれを最大許容値を超えない範囲で維持する制御が充分な精度で行われる。

従って、この音声出力装置１０は、音声出力信号の信号強度を許容レベル近くに維持し、かつ歪みを抑制することが要求されるオーディオ機器に特に好ましく用いられる。具体的には、低音の出力効率が低い薄型、小型のスピーカを具備する液晶テレビ等に好ましく用いられる。

なお、図１の構成においては、出力検出部１６はＤ級増幅器１１の出力側のＬＰＦ１４の出力となった音声出力信号の信号強度をモニターして上記の制御を行う。Ｄ級増幅器１１には一般に製品毎の特性ばらつきや諸状況による特性の変動があるが、出力される音声出力信号の信号強度によって上記の制御を行うため、こうした変動があってもその出力を厳密に制御することが可能である。

ただし、図１において、出力検出部１６の代わりに入力検出部を信号強度検出部としてＤ級増幅器１１の入力側であるＱ点に設けてもよい。この場合にも、マイコン１７が音声入力信号の信号強度に応じて上記と同様の制御を行うことができる。この場合には、Ｄ級増幅器１１に入力される信号強度に応じた制御が行われるため、例えば急激な出力の変動があった場合にはより適切な制御を行うことができる。

また、入力検出部と出力検出部１６を共に設け、例えば入力検出部を用いて上記の制御を行い、出力検出部１６で検出された信号強度に応じて図６（ｂ）に示された単なるゲイン制御を行うこともできる。こうした場合には、少しの歪みがあってもある程度の音量を維持したい場合には図２の波形となる制御を行い、音量が下がっても音質を重視して歪みをなくしたい場合には図６（ｂ）の波形となる制御を行うことができる。また、ＶがＶｍａｘを越えない範囲でこれらの中間的な制御を行い、音量と音質とが所望の程度に制御された出力となる１ビット信号をＤ級増幅器１１に出力させることが可能である。

また、前記の形態では、Ｖｃｃ等の制御を、Ｖｍａｘの他にＶｍ_１、Ｖｍ_２、Ｖｍ_３という３種類の閾値を用いて行っていたが、これに限られるものではない。この閾値を２種類以下、あるいは４種類以上設けてもよい。更に、こうした離散的な閾値を設定せず、ＶｃｃをＶの連続的な関数として設定することもできる。すなわち、駆動電圧Ｖｃｃは信号強度に応じて音声出力信号が許容レベル内となるべくマイコン１７によって適宜設定され、Ｖｃｃ制御部１２によって出力される。

なお、本発明は上記の形態に限られるものではなく、１ビット信号を用いて音声出力をさせる音声出力装置あるいは音声出力方法において、出力されるアナログ信号の信号強度をある一定の範囲にする場合であれば、同様に好ましく用いられる。また、前記の例では音声入力信号をアナログ信号であるとしたが、音声入力信号がデジタル信号である場合でも、同様に１ビット信号を用いて音声信号を出力させる場合には、同様に本願発明を用いることができることは明らかである。この場合の前記の音声入力信号の強度としては、音声入力信号をアナログ変換した場合の信号強度とすればよい。

本発明の実施の形態となる音声出力装置の構成図である。本発明の実施の形態となる音声出力装置における音声出力信号の一例である。本発明の実施の形態となる音声出力装置における音声出力信号の許容レベル付近の拡大図である。本発明の実施の形態となる音声出力装置の動作を示す図（ａ：音声出力信号、ｂ：Ｖｃｃ、ｃ：１ビット信号）である。従来の音声出力装置の動作を示す図（ａ：音声出力信号、ｂ：Ｖｃｃ、ｃ：１ビット信号）である。従来の音声出力装置における音声出力信号の例である。

符号の説明

１０音声出力装置
１１Ｄ級増幅器
１２Ｖｃｃ制御部（駆動電圧出力部）
１３電源
１４ローパスフィルタ（ＬＰＦ）
１５スピーカ
１６出力検出部（信号強度検出部）
１７マイコン（制御部）
１１１ ΔΣ変調部
１１２スイッチング部

Claims

音声入力信号からＤ級増幅器を介して１ビット信号を作成し、該１ビット信号をアナログ信号に変換してスピーカに音声出力信号を出力する構成を具備する音声出力装置であって、
前記Ｄ級増幅器の駆動電圧を出力する駆動電圧出力部と、
前記音声出力信号又は前記音声入力信号の信号強度を検出する信号強度検出部と、
前記音声出力信号又は前記音声入力信号の信号強度に応じて前記駆動電圧出力部における前記駆動電圧を設定する制御部と、
を具備し、
前記音声出力信号には許容レベルが設定され、
前記制御部は、前記駆動電圧出力部を制御して前記Ｄ級増幅器におけるスイッチング部に入力される前記駆動電圧を設定することにより、前記Ｄ級増幅器から出力される前記１ビット信号の振幅を制御し、前記信号強度が高い場合に前記駆動電圧を高く設定し、かつ前記音声出力信号の信号強度が前記許容レベルを越えないように前記１ビット信号を前記Ｄ級増幅器に出力させることを特徴とする音声出力装置。
前記Ｄ級増幅器にはΔΣ変調器が用いられることを特徴とする請求項１に記載の音声出力装置。
音声入力信号からＤ級増幅器を介して１ビット信号を作成し、該１ビット信号をアナログ信号に変換してスピーカに音声出力信号を出力する音声出力方法であって、
前記音声出力信号又は前記音声入力信号の信号強度を検出し、
前記信号強度に応じて前記Ｄ級増幅器の駆動電圧を設定し、
前記音声出力信号には許容レベルが設定され、
前記Ｄ級増幅器におけるスイッチング部に入力される前記駆動電圧を設定することにより、前記Ｄ級増幅器から出力される前記１ビット信号の振幅を制御し、前記信号強度が高い場合に前記駆動電圧を高く設定し、かつ前記音声出力信号の信号強度が前記許容レベルを越えないように前記１ビット信号を前記Ｄ級増幅器に出力させることを特徴とする音声出力方法。